Transistor

Cos'è un transistor

Il transistor è un componente elettronico composto da tre terminali (tripolo) detti base, collettore ed emettitore. La base controlla il flusso della corrente tra collettore ed emettitore. Il verso della corrente è indicato da una freccia.

Nella lingua italiana è anche detto transistore.

E' un semiconduttore usato nei circuiti analogici e digitali.

La storia del transistor

Prima dell’arrivo dei transistor le valvole compivano lo stesso lavoro, erano però molto grandi (quasi come una lampadina).

Per questo motivo le radio fino agli anni ‘50 del Novecento erano dispositivi enormi.

Negli anni '60 i transistor sostituirono le valvole e le radio divennero dispositivi portatili. Nacque così l’elettronica.

La diffusione del transistor consentì la miniaturizzazione dei circuiti.

A sua volta la miniaturizzazione permise di aumentare la frequenza della corrente nei circuiti grazie al principio di quasi stazionarietà.

In conclusione, con l'arrivo del transistor i dispositivi elettronici divennero più piccoli e più veloci ad elaborare i segnali.

Come funziona un transistor

Se la base riceve una tensione in ingresso superiore a una tensione di soglia, ad esempio V_IN ≥ 0.6 Volts, il transistor lascia passare la corrente tra collettore ed emettitore. Viceversa, la blocca.

Un transistor si comporta come un interruttore pilotato dalla tensione.

Può assumere due stati

• ON (zona di saturazione)
  La base riceve una tensione in ingresso superiore alla tensione di soglia. Tra C e E passa corrente (cortocircuito).
  

  Spiegazione. Quando il transistor è acceso (ON) il circuito dell'esempio precedente è equivalente a un cortocircuito (circuito a destra). In questo caos l'interruttore è chiuso. La tensione nei terminali C e E è quasi nulla ( V_CE=0.2 V) e la corrente scorre liberamente e la lampadina si accende.

• OFF (zona di interdizione)
  La base riceve una tensione in ingresso inferiore alla tensione di soglia. Tra C e E non passa corrente (circuito aperto)
  

  Spiegazione. Quando il transistor è spento (OFF) il circuito è equivalente a un circuito aperto (a destra). L''interruttore è aperto e la corrente non scorre tra i terminali C e E. Quindi la lampadina è spenta.

La differenza tra transistor NPN e PNP

A seconda della polarizzazione dei terminali, esistono due tipi di transistor.

• Transistor NPN ( n-p-n )
  Nel transistor NPN la base è polarizzata positivamente mentre il collettore e l'emettitore sono polarizzati negativamente. La freccia indica il verso della corrente.
  
• Transistor PNP ( p-n-p )
  Nel transistor PNP la base si polarizza negativamente N mentre collettore ed emettitore si polarizzano positivamente P. La freccia indica il verso della corrente.
  

Tipi di transistor

Dal punto di vista tecnologico esistono principalmente due tipi di transitor:

• a giunzione bipolare (BJT)
• a effetto di campo (JFET).

Transistor a giunzione bipolare (BJT)

Il transistor bipolare a giunzione o BJT (Bipolar Junction Transistor) è un componente elettronico a tre terminali:

• Emettitore (E)
• Base (B)
• Collettore (C)

Esistono due tipi di transistor BJT: npn e pnp.

La differenza tra npn e pnp. La giunzione del transistor è composta da tre strati di materiale semiconduttore (in genere silicio) drogati in modo opposto rispetto a quelli adiacenti. Dove n significa negativo e p significa positivo. Ogni strato è collegato a un terminale. Il terminale centrale è detto base mentre i terminali esterni sono detti collettore e emettitore. Quindi, npn significa negativo-positivo-negativo e pnp significa positivo-negativo-positivo.

Come funziona

Il transistor varia la conduttività elettrica del componente, ossia la corrente che lo attraversa, tramite i valori delle tensioni ai suoi terminali.

Il funzionamento del transistor npn

In un transistor npn il flusso della corrente scorre in questo modo

Quindi, applicando la legge di Kirchhoff sulle correnti (KCL) sul transistor e ottengo l'equazione

$$ I_E = I_B+I_C $$

Le tensioni del transistor sono, invece, prese considerando le coppie dei terminali adiacenti: CB (collettore-base), EB (emettitore-base), CE (collettore-emettitore).

Applico la legge di Kirchhoff sulle tensioni (KVL) del transistor e ottengo l'equazione

$$ V_{CB} + V_{BE} + V_{CE} = 0 $$

Il transistor può operare in tre modi detti anche regioni

• Attivo
  Nello stato attivo la tensione V_BE=0.7 V e valgono le seguenti relazioni per determinare la corrente I_c sul collettore.
  
  Quindi le formule da ricordare sono

  $$ I_C = α \cdot I_E \\ I_C = β \cdot I_B \\ V_{BE} = 0.7 $$

  Sapendo che per la KVL le correnti di un transistor npn sono $$ I_B+I_C=I_E $$ Sostituisco I_C con β·I_B e ottengo la corrente I_E $$ I_B+(β \cdot I_B)=I_E $$ $$ I_B \cdot (1+β)=I_E $$
  

  Nota. Il parametro α è detto guadagno di corrente a base comune, è compreso tra 0.98 e 0.999 e indica la quota di elettroni che raggiungono il collettore dall'emettitore. Il parametro β è detto guadagno di corrente a emettitore comune ed è compreso tra 50 e 1000. I valori α e β variano a seconda del transistor e ne caratterizzano il funzionamento.

  Dalle precedenti deduco che $$ β = \frac{α}{1-α} $$ e questo dimostra che un parametro dipende dall'altro e il transistor può essere sostituito da un circuito equivalente con due generatori, uno dipendente e l'altro indipendente..
  

  Dimostrazione. Sapendo che $$ I_C=β I_B \\ I_C=α I_E \\ I_E=(1+β) I_B $$ posso scrivere con le prime due $$ β I_B =α I_E $$ Sostituisco I_E con (1+β) I_B. $$ β I_B =α [(1+β) I_B] \\ β =α (1+β) \\ β - α - αβ=0 \\ β(1-α)=α \\ β= \frac{α}{1-α} $$

• Interdizione
• Saturazione

Il circuito equivalente

Il transistor a giunzione n-p-n può essere sostituito dal seguente circuito.

Nota. Il circuito equivalente mi permette di effettuare l'analisi nodale, altrimenti non possibile sul circuito a transistor a causa della differenza di potenziale dei terminali.

Il circuito è composto da un generatore indipendente e un generatore dipendente.

Una piccola corrente di base IB controlla una corrente molto più alta in uscita, perché β un valore molto alto.

Nota. Per questa ragione i transistor sono particolarmente utili per amplificare un segnale e realizzare un amplificatore.

Un esempio pratico

In questo circuito c'è un transistor npn devo calcolare la tensione in uscita v_o e le correnti I_C e I_B.

Per ipotesi il transistor si trova in modalità attiva e β = 30

Il circuito è composto da due maglie: input e output.

Applico la legge KVL a entrambe le maglie.

$$ -3 + 20·10^3 I_B + V_{BE} = 0 $$

$$ 5 - V_O - 10 I_C = 0 $$

Poi le analizzo una alla volta

Maglia di input

$$ -3 + 20·10^3 I_B + V_{BE} = 0 $$

Sapendo che nel transistor npn in modalità attiva il valore V_BE=0.7 V.

$$ -3 + 20·10^3 I_B + 0.7 = 0 $$

Posso così calcolare la corrente di base I_B.

$$ 20 I_B = 3 - 0.7 $$

$$ I_B = \frac{2.3}{20·10^3} = 0.00015 A $$

Maglia di output

$$ 5 - V_O - 10 I_C = 0 $$

Sapendo che I_C=βI_B con β=30 e I_B=0.00015 A.

$$ 5 - V_O - 10 (βI_B) = 0 $$

$$ 5 - V_O - 10 (30 \cdot 0.00015 ) = 0 $$

$$ 5 - V_O - 10 (0,0045) = 0 $$

$$ 5 - V_O - 0,045 = 0 $$

$$ V_O = 5 - 0,045 = 4,955 V $$

E così via.